Koni penetrasyon deneyi (CPT)

Koni Penetrasyon Deneyi (CPT) ilk kez Hollanda’da 1930’larda kullanılmış olup, teknolojinin ilerlemesi ile günümüzde çok güvenilir ve ekonomik arazi deneyi niteliğini kazanmıştır. Koni Penetrasyon Deneyi, sondaj kuyusu olmaksızın 60º uç açısına ve 10 cm2 ‘lik kesit alana sahip konik bir başlığın hidrostatik basınç ve sabit bir hız oranında zemine sokularak zeminin gösterdiği direncin ölçülmesi ile gerçekleştirilir. CPT gerek sürati gerekse de derinlikle sürekli veri sağlaması açısından zemin etütlerinde ve temel mühendisliği tasarımlarında kullanılan bir metottur. Günümüzde ise CPT, alüvyon zemin koşullarının hakim olduğu bölgelerde oldukça yaygın bir kullanım alanına sahiptir (Sivrikaya ve Toğrol 2009). Şekil 3.4 'te şematik olarak CPT düzeneği görülmektedir. Şekil 3.5 ve Şekil 3.6’da ise tez kapsamında kullanılan CPT ekipmanları ile düzeneğin yerleştirildiği kamyon görülmektedir.

Şekil 3.4. Konik penetrasyon düzeneğinin şematik gösterimi

CPT ile elde edilen uç direnci (qc), çevre sürtünmesi (fs) ve sürtünme oranı (Fr) parametreleri kullanılarak zeminlerin tanımlanması ve sınıflanması mümkün olmaktadır. Deney sırasında boşluk suyu basıncı da ölçülebilmektedir.

Deney sırasında tüm derinlik boyunca veri alınabilmesi, test sonuçlarının güvenilir ve tekrarlanabilir olmaları ile operatör hatasının bulunmayışı CPT’nin başlıca avantajlarıdır; ancak çakıl gibi sert zeminlerde ilerleyememesi ve numune alamaması CPT’nin dezavantajlarıdır.

Şekil 3.5. Çalışmada kullanılan konik penetrasyon deneyi ekipmanları

Şekil 3.6. Konik penetrasyon deney düzeneğinin yerleştirildiği kamyon

CPT çok yumuşak killerden sıkı kumlara kadar değişen zeminler için uygundur. Bununla birlikte özellikle çakıllar ve kayaç içeren zeminler için ise uygun değildir. Kullanım amaçları 3 ana grupta toplanabilir.

• Zemin tabakalaşmasını belirlemek ve tabakaları tanımlamak (Tabaka değişimleri ve kalınlıkları, zemin cinsi)

• Tabakalardaki zeminlerin rölatif sıkılık ve drenajsız kayma mukavemeti gibi mühendislik özelliklerini belirlemek (Dr, su gibi)

• Geoteknik tasarım için doğrudan sonuçlara ulaşmak (Sığ temellerin ve kazık temellerin taşıma gücü ve oturması, kumlu zeminlerde sıvılaşma, zemin iyileştirmesinin kontrolünde vb (Sivrikaya ve Toğrol 2009).

Mekanik ve elektronik olmak üzere iki çeşit CPT vardır. Mekanik CPT’de penetrometre ucu iç tijlere bağlıdır. Önce uç 40 mm kadar zemine itilerek qc ölçülür. Sonra tijler biraz daha itilerek sürtünme kolunun konik başlık ile teması sağlanır ve birlikte zemine itilir. Bu durumda okunan düşey yük uç direnci ile sürtünme direncinin toplamına eşittir. Toplam okuma ile uç okuması farkı qs’e esit olacaktır. Elektronik CPT’de penetrometre ucu tijlerin içinden geçen kablolara bağlıdır. Uç yaklaşık 20 mm/sn hızla zemine itilir. qc ve qsayrı ayrı veri toplama ünitesine sürekli olarak aktarılır. Diğerinde olduğu gibi toplam ve uç okuması için deney durdurulmaz. Sadece tij ekleme sırasında deneye ara verilir.

Koni penetrasyon deneyinde, penetrasyon sırasında penetrometre etrafında oluşan boşluk suyu basıncı nedeniyle boşluk suyu basıncı düzeltmesi, tabakalar arasında yataklanmış ince tabakaların mekanik özellikleri tam olarak ölçülmediği için tabakalaşma düzeltmesi ve SPT deneyinde olduğu gibi CPT sonuçlarında efektif düşey gerilme etkili olduğu için derinlik (düşey yük) düzeltmesi uygulanır.

Zemin cinsinin kolayca kestirilebilmesi için kullanılan başlıca abak Robetson vd. (1986) tarafından önerilen, Robertson (2010) tarafından güncellenen abaktır (Şekil 3.7). Bu abak koni uç direnci (qc) ile sürtünme oranını (Fr) arasındaki ilişkiyi göstermektedir.

*Pa: Atmosfer basıncı (100 kPa)

Şekil 3.7. qc- Fr ilişkisi (Robertson vd. 1986, Robertson 2000)

Şekil 3.7’ye göre bölgelere düşen zemin özellikleri Çizelge 3.3’teki gibidir.

Abaklar grafikler kullanılmaksızın zeminin kum veya kil olması CPT’nin gösterdiği direnç ile tahmin edilebilmektedir.

Deney sırasında; Kum;

i) Yüksek uç direnci, ii) Düşük sürtünme oranı,

Kil;

i) Düşük uç direnci, ii) Yüksek sürtünme oranı,

iii) Yüksek boşluk suyu basıncı-düşük permeabilite verir.

Çizelge 3.3. CPTU Sonuçlarına Göre Zemin Sınıflandırması (Robertson 1990)

Bölge Zemin Davranış Türü

1 Hassas, iyi derecelenmiş

2 Organik zeminler-kil

3 Kil, Siltli kil-kil arası

4 Silt karışımları, Kill silt- siltli kil arası 5 Kum karışımları, Siltli kum, Kumlu silt arası 6 Kum, Temiz kum ile siltli kum arası 7 Çakıllı kum ile sıkı kum arası 8 Çok sıkı kum ile killi kum arası* 9 Çok katı iyi derecelenmiş zemin*

Efektif örtü basıncının (σv') derinlikle artması neticesinde gerek koni penetrasyonunun gerekse sürtünme direncinin arttığı göz önünde bulundurulursa özellikle derin deneylerde CPT’den elde edilen parametrelerin düzeltilmesi gerekmektedir. Düzeltmeler göz önüne alınarak Robertson (1990) tarafından hazırlanan abak ise Şekil 3.8’de görülmektedir.

Şekil 3.8’de Iczemin davranış indeksi olup;

Ic= ((3.47-Log Qt)2 + (Log Fr+1.22)2)0.5 (3.2)

Qt= düzeltilmiş koni batma direnci (boyutsuz)

= (qt- σv0)/ σv’0 (3.3) Fr= düzeltilmiş sürtünme oranı (%)

= (fs/( qt- σv0))*100% (3.4) olarak ifade edilmektedir.

Iczemin davranış indeksi ve zemin cinsi arasındaki ilişki Çizelge 3.4’ teki gibidir.

Şekil 3.8. Düzeltilmiş koni direnci- düzeltilmiş sürtünme oranı ilişkisi (Robertson 1990) CPT’de ölçülen Qt ile Fr arasındaki ilişki ise Şekil 3.9’ daki gibidir.

Çizelge 3.4. Normalize edilmiş CPT- zemin davranış türü ilişkisi (Robertson 1990)

Bölge Zemin Davranış Türü Ic

1 Hassas, iyi derecelenmiş N/A

2 Organik zeminler-kil >3.6

3 Kil, Siltli kil-kil arası 2.95-3.60

4 Silt karışımları, Kill silt- siltli kil arası 2.60-2.95 5 Kum karışımları, Siltli kum, Kumlu silt arası 2.05.-2.60 6 Kum, Temiz kum ile siltli kum arası 1.31-2.05

7 Çakıllı kum ile sıkı kum arası <1.31

8 Çok sıkı kum ile killi kum arası* N/A

9 Çok katı iyi derecelenmiş zemin* N/A

*Ağır aşırı konsolide ya da çimentolanmış zemin

Şekil 3.9’da;

Qt= (qt- σv0) / σ’v (3.5) Fr= fs /( qt- σv0) (3.6) formülleri ile bulunmaktadır.

Deney sırasında derinliğe bağlı olarak sürekli kayıt yapılabildiği için alınan verilerle sürekli ve ayrıntılı bir şekilde zemin sınıflaması yapılabilmektedir. Deney sırasında SPT- N60 değerleri belirlenebilmektedir. CPT genellikle zeminlerin mühendislik özelliklerinin belirlenmesinde ve tipik olarak zeminlerin stratigrafik katmanlarının ortaya çıkarılmasında kullanılır. Bazı korelasyonlar kullanılarak zeminin kohezyon, içsel sürtünme açısı ve sıkışma katsayısı gibi çeşitli parametreleri elde edilebilmektedir.

Kohezyonlu zeminlerin drenajsız kesme mukavemeti, uç direnci değeri kullanılarak elde edilebilir. Aşağıdaki bağıntı bunu göstermektedir .

Su = (qc-P0) / Nk (3.7)

Bu bağıntıda;

Su = Tek eksenli dayanım değerini (Kpa) qc =Uç direncini (Kpa)

P0=Deney derinliğindeki efektif gerilme düzeyini (Kpa)

Nk ise koni faktörünü göstermektedir. (Genelde 15-20 arasında değişen bir değerdir.) Nk, Ip’ye bağlı bir parametre olup Şekil 3.11 yardımıyla bulunabilir.

Kohezyonsuz zeminlerin mekanik parametrelerinden birisi olan içsel sürtünme açısı ise Bowles (1996) tarafından geliştirilen formül ile elde edilebilir.

ϕ = 29 ° +√ qc (3.8) Burada;

ϕ = İçsel sürtünme açısı qc =Uç direnci (MPa)’dir.

Bu bağıntıda 29° yerinde çakıllarda 34° siltli kumlar için ise 24° alınır.

Şekil 3.10. Koni faktörünün (Nk) plastisite indisi ile değişimi (Dipova ve Cangir 2005) Schultze ve Muhs (1967) zeminleri uç dirençlerine göre Çizelge 3.4’teki gibi sınıflamışlardır.

Çizelge 3.5. Zeminlerin uç dirençlerine göre sınıflanması (Schultze ve Muhs 1967)

Uç Direnci- qc (MN/m2) Zemin Sınıfı

<5 Gevşek

5-10 Gevşek-Orta Sıkı

10-15 Orta Sıkı